某隨動系統(tǒng)負(fù)載模擬試驗臺的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

楊建新，王振宏

(長春理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，長春 130022)

0 引言

隨著控制技術(shù)的發(fā)展，隨動系統(tǒng)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于軍事工業(yè)和民用工業(yè)［1］，因此其性能的好壞就顯得極其重要。由于隨動系統(tǒng)的工作狀態(tài)非常的復(fù)雜，它在實際的工作過程中會受到各種干擾負(fù)載的影響，比如，系統(tǒng)中發(fā)生相對運動的部件間摩擦力的存在會使系統(tǒng)受到摩擦負(fù)載的影響，系統(tǒng)在做變速運動時會受到慣性負(fù)載的影響，此外還會受到諸如正弦力矩負(fù)載和沖擊負(fù)載的影響。這些干擾負(fù)載的存在會嚴(yán)重影響到隨動系統(tǒng)的正常工作，因此非常有必要對這些負(fù)載進(jìn)行模擬，以便在實驗室條件下對隨動系統(tǒng)的性能進(jìn)行檢測。本文就是通過對以往負(fù)載模擬系統(tǒng)的研究，結(jié)合電子、液壓技術(shù)的特點［2］，基于電液伺服控制技術(shù)設(shè)計出了一個隨動系統(tǒng)的負(fù)載模擬試驗臺，來完成對隨動系統(tǒng)干擾負(fù)載的模擬和加載任務(wù)。

1 負(fù)載模擬試驗臺整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

試驗臺所要模擬的干擾負(fù)載的主要技術(shù)指標(biāo)為:a)、摩擦負(fù)載——范圍0～10Nm、精度±1%FS;b)、慣性負(fù)載——范圍0～100Nm、精度±1%FS;c)、沖擊負(fù)載——范圍0～100Hz、精度±1%FS。試驗臺的使用要求:基座方便移動，被試隨動系統(tǒng)的電機在試驗臺上的安裝高度要大于1m，危險部件應(yīng)該設(shè)有防護(hù)裝置，試驗臺的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量緊湊，另外試驗臺還應(yīng)具有較好的抗震、防塵能力。

根據(jù)上面干擾負(fù)載的技術(shù)指標(biāo)和試驗臺的使用要求，設(shè)計了負(fù)載模擬試驗臺的整體結(jié)構(gòu)，如圖1所示。試驗臺主要由基座、溫控箱、液壓伺服系統(tǒng)、變速箱、齒輪箱、被試電機支撐架、被試電機以及其它一些部件組成。其中，為了滿足負(fù)載模擬試驗臺結(jié)構(gòu)緊湊性的需要，在對其進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用了各主要部件集中放置的方式，設(shè)計了一個高強度基座，用來放置主要部件。同時，考慮到試驗臺的移動和操作使用的方便性，在實驗臺的底部設(shè)置了四個輪子，并在四周設(shè)置了方便人工搬運的扶手和吊環(huán)。另外，由于做高、低溫實驗的需要，設(shè)計了具有調(diào)溫功能的溫控箱，把試驗臺上的主要零部件都安裝在溫控箱中。

圖1 負(fù)載模擬試驗臺整體結(jié)構(gòu)圖

2 負(fù)載模擬試驗臺的動力學(xué)仿真及優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)前面的技術(shù)指標(biāo)可知負(fù)載模擬試驗臺的工作范圍在0～100HZ左右，為了避免試驗臺在工作時產(chǎn)生共振［3］，即試驗臺的固有頻率和工作頻率重合，所以需要對試驗臺進(jìn)行動力學(xué)仿真分析。本文采用有限元軟件ANSYS Workbench對試驗臺整體進(jìn)行了動力學(xué)仿真。

為了仿真的順利進(jìn)行，在保證動力學(xué)分析的準(zhǔn)確性的情況下，應(yīng)盡量減少仿真分析的計算量，所以首先需要對試驗臺的模型進(jìn)行簡化。模型簡化的原則是刪除對系統(tǒng)固有頻率影響較小的零部件或零部件的結(jié)構(gòu)特征［4］。再將試驗臺的模型簡化后把其導(dǎo)入仿真軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，本文采用四面體單元，對試驗臺進(jìn)行整體網(wǎng)格劃分，劃分后的有限元模型有6740個節(jié)點和1384個單元，劃分網(wǎng)格后的有限元模型如圖2所示。設(shè)計時基座的材料選為鑄鐵，其它主要零部件的材料為40Cr，材料的泊松比和密度分別為0.28和7.82E-3。通過固有頻率分析，可以得到試驗臺的各階振型如圖3a～圖3d所示，相應(yīng)的固有頻率如表1所示。由于被試電機的轉(zhuǎn)速范圍是0～6000r/min，試驗臺工作頻率在0～100Hz，所以試驗臺的前幾階振型和負(fù)載模擬試驗臺的工作頻率相近，為了避免試驗臺產(chǎn)生共振，需要對試驗臺進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

圖2 完成網(wǎng)格化分后的試驗臺有限元模型

表1 試驗臺固有頻率表

圖3 試驗臺的各階振型圖

通過對圖中前四階振型的仿真結(jié)果分析，可以看出整個試驗臺的中間部分和被試電機支架的振動較大，無法滿足穩(wěn)定工作的需要。所以必須對這兩部分重點進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。其中，方法一是在試驗臺底部的中間部分增加兩個支撐，但這樣會加大試驗臺的調(diào)平難度。所以我們采取另外一種方法，對試驗臺底板進(jìn)行了適當(dāng)?shù)募雍?，并在底部增設(shè)了加強筋。同時，在電機支架部分增加輔助支撐。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)模型圖

表2 試驗臺固有頻率表

對優(yōu)化后的試驗臺同樣進(jìn)行動力學(xué)仿真，得到試驗臺的各階振型圖如圖5a，～圖5d，所示，相應(yīng)的固有頻率如表2所示。經(jīng)過對仿真結(jié)果的分析知，優(yōu)化后的1階固有頻率雖然在104.48hz左右，但是通過1階振型圖可以看出，最大變形量只有0.016936mm，如此小的變形量在工作中完全可以由聯(lián)軸器消除，2階固有頻率為161.13hz超過了試驗臺的最高工作頻率，遠(yuǎn)離了共振區(qū)，所以優(yōu)化后的隨動系統(tǒng)負(fù)載模擬試驗臺的整體結(jié)構(gòu)完全可以滿足設(shè)計要求。

圖5 試驗臺的各階振型圖

3 結(jié)語

通過ANSY Swork bench軟件，對隨動系統(tǒng)的負(fù)載模擬試驗臺進(jìn)行了動力學(xué)仿真分析，并對試驗臺的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，提高了試驗臺的固有頻率，其中一階固有頻率從60.686hz提升到了104.48Hz，成功的避開了系統(tǒng)的工作頻率，改善了試驗臺整體的動力學(xué)特性，滿足了設(shè)計要求和工作需要。

［1］ 孫永厚.液壓綜合試驗臺設(shè)計［J］.工程機械，2003(11):40-42.

［2］ 張琦，等.電液流量伺服閥模型的兩種辨識方法［J］.機械科學(xué)與技術(shù)，1996(3):251-254.

［3］ 李文寶.摩托車車架的降噪研究及優(yōu)化設(shè)計［D］.長春:吉林大學(xué)，2007.

［4］ 趙海軍，鄧兆祥，胡玉梅.基于靈敏度分析的微型貨車車身結(jié)構(gòu)動力修改［J］.汽車工程，2008(6):534-538.

［5］ 黃明輝，段智勇，等.巨型模鍛水壓機機架的有限元模態(tài)分析［J］.鍛壓技術(shù)，2008，33(5):126-129.